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Das Beben, der Tsunami, die Kernreaktoren und die Folgen

Das Tohoku-Erdbeben und der folgende Tsunami haben Städte und Landstriche verwüstet und dabei Zigtausende Menschen getötet. Doch im Blickpunkt der Weltöffentlichkeit stehen die havarierten Kernkraftwerke in Fukushima Daiichi; sie forderten zwar keinen einzigen Toten, sind aber immer noch außer Kontrolle.
Quelle für alle Grafiken: Kuczera, 2011
Abb. 1: Ein Block des Kernkraftwerks Fukushima Daiichi Der Tsunami hat das ganze Gelände überflutet, ist in die Schächte und Tunnel eingedrungen und hat die Sicherheitssysteme großenteils zerstört.

Der große Bruch im Meer überraschte

Der Winter war lang. Alle Japaner freuten sich auf den Frühling. Doch mit dem März kam das Beben. Am 9. des Monats erschütterte ein heftiger Schlag zwei Drittel der Hauptinsel Honshu. Schwere Nachbeben rüttelten die große Insel durch. Immer wieder schlüpften die Schüler unter ihre Schulbänke, wie sie es gelernt hatten. Das 240 Meter hohe Regierungsgebäude in Tokio schwankte so stark, dass 40 der 42 Aufzüge in der nächsten Etage automatisch stehen blieben. Alles war wie so oft. Niemand rechnete mit einer Katastrophe. Doch am frühen Nachmittag des 11. März kam ein Donnerschlag, den Japan in seiner jüngeren Geschichte noch nicht erlebt hatte. Das Beben der Stärke M = 9,0 (Momentum-Magnitude) kam aus einer Tiefe von 10 km, knapp 80 km vor der Pazifikküste der nordöstlichen Region Tohoku bei etwa 38° Nord und 142° Ost. Dort schiebt sich die Pazifische Platte mit 83 mm im Jahr unter die Ochotskische Platte. Gewaltige Spannungen hatten sich an dieser Subduktionszone über vielleicht 500 Jahre aufgebaut.

Plötzlich schnellte die Ochotskische Platte auf einer Breite von 250 km mit 2 km/s um 7 m in die Höhe. 60 km3 Wasser dehnten sich in alle Richtungen aus. Japan lag am nächsten und wurde am stärksten getroffen. An der Küste bildeten sich Wasserberge, die – je nach der Topografie – bis 30 m hoch wurden. Bis 5 km weit schoss das Wasser ins Land und walzte alles nieder. Den Bewohnern blieb eine Viertelstunde, um auf Hügel und Berge zu flüchten oder sich auf eigens gebaute Tsunamitürme zu retten. Wahrscheinlich sind fast 30.000 Menschen ertrunken, unter den Trümmern begraben oder ins Meer gespült worden. Weit mehr Menschen haben Hab und Gut, Familie und Heimat verloren. Millionen Haushalte hatten plötzlich keinen Strom. Zu allem Elend wurde das geschundene Land von 150 teils sehr schweren Nachbeben geplagt.

Abb. 2: Ausfall der Notkühlsysteme Der Dampf (hellblau) im Druck­behälter wird über ein Sicherheitsventil in die ringförmige Kondensationskammer (Torus, links und rechts unten) geleitet. Allmählich sinkt der Wasserspiegel (dunkelblau) im Druckbehälter; die Temperatur steigt.

Allgemeiner Stromausfall

Innerhalb von Sekunden schalteten sich mindestens 18 Wasser- und sieben Kohlekraftwerke ab. Alle vier Kernkraftwerke der nahen Küste mit elf Blöcken fuhren herunter. In der ganzen Region gingen die Lichter aus. Hinzu kommt, dass der Nordosten Honshus den Strom mit 50 Hertz transportiert, während der Südwesten eine Frequenz von 60 Hz betreibt. Die drei Frequenzwandler an der Stromgrenze haben eine Leistung von lediglich 1 GW. Schlagartig fehlte im Nordosten ein Viertel der elektrischen Leistung. Wo keine intakte Notstromversorgung vorhanden war, gingen die Lichter aus.

Das Beben war mehr als sechsmal so stark, wie die Auslegung gegen seismische Einwirkungen, die mit einer maximalen Stärke von M = 8,2 rechnete. Die auf dem Reaktorgelände Fukushima Daiichi (Nr. 1) gemessene Horizontalbeschleunigung von bis zu 550 cm/s2 beeinträchtigte die Reaktoren außer in Block 2 wenig, während die Peripherie schwer beschädigt wurde. Immerhin, die Steuerstäbe aus Hafnium und Borkohlenstoff (B4 C) schossen mit hydraulischem Druck sofort zwischen die Brennstäbe, absorbierten die Neutronen des Urandioxids und bremsten die Kernspaltung.

Abb. 3: Temperaturanstieg Ab 900 °C platzen die Brennstäbe, deren Innendruck 40 bar beträgt, und setzen gasförmige Spaltproduk­te (SP) frei. Ab 1200 °C oxidiert das Zirkonium und setzt in einer exother­men Zirkon-Wasser-Reaktion Wasser­stoff frei. Wasserstoff, Dampf und Spaltprodukte gelangen durch das Sicherheitsventil in den Torus, wo Temperatur und Druck ansteigen.

Die Flut war schlimmer als das Beben

Jetzt sprangen die Notstromdieselaggregate an und versorgten die Kühlsysteme zur Restwärmeabfuhr und zur Kühlung der Abklingbecken. Doch nach einer knappen Stunde brandete eine 14 m hohe Welle heran. Das gesamte Gelände war 4 m hoch überflutet, da es nur 10 m über dem Meeresspiegel liegt (Abb. 1). Die Welle prallte auf die Maschinenhäuser und stieg hier auf eine Höhe von 46 m. Die Wände widerstanden diesem Druck, nicht aber die Türen; das Wasser drang ein, und die Dieselmotoren fielen aus.

Dagegen hatte das Reaktorgelände Fukushima Daini (Nr. 2) großes Glück. Nur 2 m höher als Daiichi gelegen, entging es der Überflutung, da die Welle hier nur 7 m hoch war.

Als in Fukushima Daiichi der Strom ausfiel, sprangen die Batterien an. Doch die von Block 1 hielten gerade eine Stunde lang. Block 3 war besser dran. Hier lieferten sie 37 Stunden lang Strom. In Block 2 fielen nach 24 Stunden die Pumpen aus. In dieser entscheidenden Zeitspanne gelang es nicht, die Dieselmotoren wieder in Betrieb zu setzen. Möglicherweise hatte die Flutwelle die Dieseltanks mit sich gerissen. Wahrscheinlich sind auch Versorgungsschächte mit Elektrokabeln vollgelaufen. Kurzschlüsse zerstörten die Notstromversorgung zusätzlich. Auch kann die Luftzufuhr der Dieselmotoren unterbrochen gewesen sein. Der Betreiber Tepco (Tokyo Electric Power Company) schaffte es erst nach mehr als zwei Wochen, Licht in die Blockwarten zu bringen.


Tab. 1: Auswirkungen früherer Beben auf Kernkraftwerke

Jahr
Beben
Stärke
M*
Kernkraftwerk
Distanz vom Epizentrum
Auswirkungen
1988
Spitak, Armenien
6,8
Metsamor
75 km
Normalbetrieb
1993
Honshu, Japan
5,8
Onagawa
30 km
RESA**
1994
Northridge, Kalifornien
6,7
San Onofre
Diablo Canyon
130 km
240 km
Normalbetrieb
Normalbetrieb
1995
Kobe, Japan
6,9
Takahama
Mihama
130 km
180 km
Normalbetrieb
Normalbetrieb
1999
Chi Chi, Taiwan
7,6
Chinshan u. Kuosheng
175 km
RESA durch Netzausfall
2003
Süd-Sanriku, Japan
7,0
Onagawa
48 km
RESA
2007
Chuetsu, Japan
6,6
Kashiwazaki-Kariwa
16 km
RESA
* Die Skala ist logarithmisch; die Zahlenreihe 1, 2, 3 bedeutet also 1, 10, 100; bei einem Wert von 10,6, würde die Erdkruste auseinanderbrechen
** Reaktorschnellabschaltung (engl. Safety Cut Rope Axe Man, SCRAM) 
Quelle: Karlsruher Institut für Technologie

Siedewasserreaktor

In Fukushima Daiichi stehen Siedewasserreaktoren (SWR). Dieser Typ ist in den 1950er Jahren von General Electric in den USA entwickelt worden. Als sogenannter Leichtwasserreaktor nutzt er Wasser (H2 O) sowohl zum Kühlen des Reaktorkerns als auch zum Antrieb der Dampfturbinen, die den Strom erzeugen (Schwerwasserreaktoren arbeiten mit D2 O). Wasser dient auch als Moderator; das heißt, es bremst die schnellen Neutronen aus dem Uran, um die Kettenreaktion der Kernspaltung aufrecht zu erhalten. Dem entsprechend besitzt ein SWR nur einen einzigen Wasserkreislauf. Das Wasser ist leicht radioaktiv, da es im Reaktorkern Radionuklide aufnimmt. Im Maschinenhaus muss die Dampfleitung deshalb immer abgeschirmt werden.

Die Brennstäbe bilden den Reaktorkern und stehen wie ein Tauchsieder in dem mit Wasser gefüllten Reaktordruckbehälter. Bei einem Druck von etwa 70 bar siedet das Wasser knapp unterhalb 300 °C. Oben im Druckbehälter sammelt sich Heißdampf, der ins Maschinenhaus geleitet wird und die Turbinen antreibt. Danach strömt der Dampf in einen Kondensator und wird entspannt. Das Wasser wird in den Reaktordruckbehälter gepumpt, worauf der Kreislauf aufs Neue beginnt.


Auf Kernkraft verzichten


"Die Transformation zur Klimaverträglichkeit ist moralisch ebenso geboten wie die Abschaffung der Sklaverei und die Ächtung der Kinderarbeit. Der Umbau der Weltwirtschaft muss schnell gehen, auf Kernenergie und Kohle muss gleichzeitig und kurzfristig verzichtet werden."

Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung – Globale Umweltveränderungen (WBGU), 2011


Abb. 4: Partielle Kernschmelze Ab 1800 °C schmilzt das Zirkalloy der geplatzten Brennstäbe vollständig. Bei 2500 °C zerbröseln die Brennstäbe und fallen teilweise zu Boden. Der Druckbehälter wird mit Meerwasser geflutet. Wasserstoff und Spaltprodukte dringen aus dem Torus in den Sicherheitsbehälter ein.

Fünf Barrieren

Jeder Reaktor hat zahlreiche Barrieren und Sicherheitssysteme. Die erste Barriere sind die Brennstofftabletten (Pellets), deren Keramik 98% der bei der Kernspaltung erzeugten radioaktiven Nuklide zurückhält. Die Pellets befinden sich zusammen mit Helium in den Brennstäben (zweite Barriere). Diese druck- und gasdichten Röhren aus einer Zirkonium-reichen Legierung Zirkalloy nehmen die gasförmigen Radionuklide (Spaltgase) auf, die aus den Pellets entweichen, wobei ein Druck von 40 bar entsteht. Die dritte Barriere ist der Reaktordruckbehälter aus 16 cm dickem Stahl, der auch zahlreiche Pumpen birgt. Die vierte Barriere ist der Reaktorsicherheitsbehälter (primary containment, drywell) aus Stahlbeton, der mit Stickstoff gefüllt ist, um Knallgasexplosionen zu verhindern.

Steigt der Dampfdruck im Sicherheitsbehälter infolge eines Wasserlecks, führen Entlastungsleitungen den entstehenden Dampf in den ringförmigen Kondensator unterhalb des Reaktors (Torus, wetwell). Die fünfte und letzte Barriere ist das Reaktorgebäude aus Beton; in ihm befinden sich auch die Abklingbecken für Brennstäbe, die nicht in Betrieb sind, aber dennoch Wärme produzieren.

Notsysteme gegen die Kernschmelze …

Zahlreiche Notsysteme ergänzen die bauliche Sicherung, um eine drohende Kernschmelze, d. h. das Schmelzen des Reaktorkerns oder der Brennstäbe, zu verhindern. Dazu müssen sie die sogenannte Restwärme abführen, verlorenes Kühlwasser ersetzen und den Torus kühlen. Nach dem Abschalten des Reaktors läuft die Kernreaktion noch weiter und erzeugt die Restwärme, die anfangs etwa 6% der Reaktorleistung entspricht und nach wenigen Tagen auf 0,5% sinkt.

Die Notkühlsysteme (ECCS = Emergency Core Cooling Systems) bestehen aus einer Hochdruckkernkühlung, einer Niederdruckkernkühlung und drei Niederdruckkerninjektionssystemen, die einen leerlaufenden Reaktorkern wieder fluten sollen. Dieses Wasser nimmt radioaktive Elemente auf und muss im Sicherheitsbehälter verbleiben. Besonders gefährlich sind die Radionuklide Iod-131 und Cäsium-137.

Ein Restwärmerückführungssystem, das mit Wärmetauschern ausgerüstet ist, kühlt sowohl den Reaktorkern als auch die Abklingbecken. Mit diesem verknüpft arbeitet das Kernisolationskühlsystem. Es ist das einzige Kühlsystem, dessen Pumpen nicht elektrisch angetrieben werden, sondern mit dem Dampf des Rückführungssystems. Es soll sicherstellen, dass die Brennstäbe immer vollständig im Wasser stehen.

… haben versagt

Der Tsunami hat alle Sicherheitsvorkehrungen weggeschwemmt. Die Unfähigkeit, rechtzeitig wieder Strom in die Anlage zu bringen, führte zum Ausfall aller Kühlsysteme, zum Loss-of-coolant Accident (LOCA).

In Block 2 hatte wahrscheinlich bereits das Beben den Torus zerstört. Die zahlreichen Sicherheitsventile wurden viel zu spät geöffnet (Abb. 2 – 4). Das lag vor allem an der langen Entscheidungsstrecke. So musste Tepco bei der Aufsichtsbehörde anrufen, um die Genehmigung zum Venten, d. h. zum Ablassen von Gas aus dem Sicherheitsbehälter, zu bekommen. Zudem waren die Rekombinatoren, die den Wasserstoffanteil im Sicherheitsbehälter unterhalb von 4 Prozent halten, ausgefallen; sie benötigen Strom, während sie in Deutschland autokatalytisch arbeiten und vollkommen autark sind.

Die Knallgasexplosionen haben die Reaktoren nicht beeindruckt (Abb. 5). Katastrophal sind hingegen die partiellen Kernschmelzen in den Blöcken 1 bis 3, wo der 16 cm dicke Stahl der Reaktordruckbehälter wahrscheinlich durchgeschmolzen ist, und im Abklingbecken von Block 4. Hier waren die Brennstäbe frisch ausgeladen und hatten eine hohe Aktivität.

Die Auswirkungen der Kernschmelzen sind schwierig zu beurteilen. Die herabtropfende glühende Masse trifft nicht nur auf Beton, dessen Widerstandsfähigkeit fraglich ist, sondern auch auf Salz, das bei der Flutung der Sicherheitsbehälter mit Meerwasser eingetragen wurde. Zur weiteren Kühlung sind riesige Wassermengen notwendig, die dabei kontaminiert werden und entsorgt oder zwischengelagert werden müssen. Die in die Umgebung abgegebenen Radionuklide versucht man nun mit dem Versprühen von Kunstharz zu immobilisieren.

Abb. 5: Druckanstieg im Sicher­heitsbehälter Der Sicherheits­behälter ist auf 5 bar ausgelegt. Da das Wasser im Torus zu sieden beginnt, steigt der Druck auf 8 bar. Durch das Ablassen des Gasgemisches (Venten) und eventuell über Lecks gelangte ein zündfähiges Wasserstoff-Luft-Gemisch in das obere Stockwerk des Reaktorgebäudes. Knallgasexplosionen zerstören die Stahlkonstruktion, aber nicht das gesamte Gebäude.

Planungsfehler

Die Katastrophe hat einige Missstände in der japanischen Nuklearindustrie offenbart. Einfachste Sicherheitsvorkehrungen sind nicht beachtet oder umgesetzt worden. Beispielsweise hatten die Dieselmotoren der Notstromaggregate keine hochliegenden Ansaug- und Auspuffrohre. Die Dieseltanks hätte man einfach bunkern können, anstatt sie auf das offene Gelände zu setzen. Die mit Lkw herangeschafften Notstromaggregate konnten nicht zum Laufen gebracht werden, denn weder die elektrischen Stecker noch die Schläuche und Einfüllstutzen passten zum System. Wahrscheinlich war auch kein Diesel verfügbar.


Irritierend war folgender Vorgang: Zwei Tage nach dem Tsunami hatten die Japaner in Deutschland neben Bleiwesten, Schutzanzügen und Atemfiltern auch Dosimeter erbeten – sie hatten offenbar keine. Der VGB PowerTech als europäischer Fachverband für Strom- und Wärmeerzeugung mit Sitz in Essen hat sie bei den deutschen Kraftwerken eingesammelt und nach Japan geflogen. Bei der Analyse der Katastrophe zeigte sich auch, dass die Bedienmannschaften der japanischen Kernkraftwerke nur halb so stark sind wie in Deutschland; wegen des Chaos nach dem Tsunami war die gesamte zweite Schicht nicht erschienen.

Warnung missachtet

Tsunamis sind ein Teil der japanischen Geschichte und Kultur. Überall an den Küsten stehen uralte Findlinge mit Tsunamiwarnungen. Im Jahr 869 wütete in Tohoku der Jogan-Tsunami, dem ein Beben der Stärke M > 8,3 vorausgegangen ist, wie das Team des Geologen Koji Minoura aufgrund der jetzt noch sichtbaren Spuren vor zehn Jahren berechnet hat. Damals warnte Minoura vor einem neuen Tsunami dieses Ausmaßes, fand aber kein Gehör. Die meisten Geologen hielten ein Beben der Stärke M = 9 in dieser Region für unmöglich, da die Pazifische Platte außergewöhnlich steil unter die Ochotskische Platte eintaucht. Bei einer solchen Tektonik sollte die Reibung relativ schwach sein und nur einen relativ geringen Druck aufbauen, der sich in relativ leichten Beben entlädt. Diese Theorie wurde zwar durch das große Beben vor Sumatra an Weihnachten 2004 widerlegt, doch hielten viele Geologen an ihr fest. So haben die Verantwortlichen nach der Katastrophe als Entschuldigung vorgebracht, die Experten hätten ein so schweres Beben nicht erwartet und den 5,40 m hohen Schutzwall vor Fukushima Daiichi für ausreichend gehalten, zumal das bisher schwerste Beben weltweit mit M = 9,4 nur eine Welle von 3,20 m bewirkt hatte (1960 in Chile). Allerdings war bekannt, dass schon ein Beben von M = 7,4 Zehnmeterwellen verursachen kann.


Fukushima im Netz


Karlsruher Institut für Technologie

www.kit.edu

Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit

fukushima.grs.de

International Atomic Energy Agency

iaea.org

Seismologische Analyse der Erdbebenkatastrophen in Neuseeland und Japan

www.seismo.ethz.ch/ Earthquake_Talk_2011_03_17_de

Die Missachtung der Warnung vor einem gigantischen Tsunami mag auch damit zusammenhängen, dass das vorletzte schwere Beben im Jahr 2007 für die Kernkraftwerke glimpflich verlaufen war: Das Chuetsu-Beben der Stärke M = 6,6 hatte die sieben Siedewasserreaktoren in Kashiwazaki nur leicht beschädigt, obwohl die Planer der Anlage ein Beben dieser Stärke nicht vorgesehen hatten und die Blöcke auf Starrkörperbeschleunigungen an der Fundamentsohle von maximal 2,73 m/s2 ausgelegt hatten; es traten aber Beschleunigungen von bis zu 6,8 m/s2 auf. Sie führten zu Setzungen von 1,60 m, beschädigten aber keine sicherheitstechnisch relevanten Funktionen. Die auf der Grundlage von IAEA-Richtlinien gebauten Reaktoren mit ausreichenden Reserven hielten stand.


Quellen

Ludger Mohrbach et al.: Earthquake and Tsunami in Japan on March 11, 2001 and Consequences for Fukushima and other Nuclear Power Plants. www.vbg.org, 20. April 2011.

Ludger Mohrbach: Unterschiede im gestaffelten Sicherheitskonzept: Vergleich Fukushima Daiichi mit deutschen Anlagen. atw – Internationale Zeitschrift für Kernenergie 2011;56 (4/5).

Bernhard Kuczera: Das schwere Tohoku-Seebeben in Japan und die Auswirkungen auf das Kernkraftwerk Fukushima-Daiichi. atw – Internationale Zeitschrift für Kernenergie 2011;56 (4/5).

Axel Bojanowski: Folgen des Japan-Bebens. www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,751558-6,00.html.

Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung – Globale Umweltveränderungen (WBGU): Welt im Wandel. Gesellschaftsvertrag für eine große Transformation. Zusammenfassung für Entscheidungsträger. Berlin, 17.03.2011.

Marco Sangiorgi: Fukushima Daiichi – short overview of March 11 accidents and considerations. 3rd EMUG Meeting – ENEA Bologna. 11 – 12 April 2011.

Tokyo Electric Power Company: Reactor Core Status of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station Unit 1. Pressemitteilung vom 15. Mai 2011.

Norimitsu Onishi, James Glanz: Japanese Rules for Nuclear Plants Relied on Old Science. New York Times, 26. März 2011.

Nuclear Energy Agency (OECD): Nuclear Fuel Behaviour in Loss-of-coolant Accident (LOCA) Conditions – State-of-the-art Report, 2009.


Autor
Dr. Uwe Schulte, Osterholzallee 82, 71636 Ludwigsburg
schulte.uwe@t-online.de



Spenden für Japan


Die "Aktion Deutschland hilft", an der sich mehrere Organisationen, darunter das Medikamentenhilfswerk action medeor, beteiligen, hat ein Spendenkonto für die Opfer in Japan eingerichtet. Es lautet:

Nr. 102 030 bei der Sozialbank Köln, BLZ 370 205 00

Spenden-Hotline Tel. 09 00 55 10 20 30

www.aktion-deutschland-hilft.de

Ferner hat das Deutsche Zentralinstitut für soziale Fragen (DZI) eine Liste der Hilfswerke zusammengestellt, die zu Spenden für die Opfer des Erdbebens und des Tsunami in Japan aufrufen und das DZI-Spenden-Siegel als Zeichen besonderer Förderungswürdigkeit tragen:

www.dzi.de > DZI Spenden-Info "Erdbeben und Tsunami in Japan"



DAZ 2011, Nr. 23, S. 84